mineral dan homeostasis

17
MINERAL DAN HOMEOSTASIS (Keseimbangan Ionik dan Tekanan Osmosis) Hernawati Jurusan Pendidikan Biologi FPMIPA Universitas Pendidikan Indonesia Jl. Dr. Setiabudi No.229 Bandung 40154 Telp./Fax. 022-2001937 Email : [email protected] HOMEOSTASIS Homeostasis adalah suatu keadaan komposisi kimia dan fisiokimia yang konstan pada medium internal organisme. Homeostasis merupakan manifestasi keberadaan sejumlah faktor biologis yang konstan seperti indikasi kuantitatif, karakteristik suatu organisma pada kondisi normal. Termasuk temperatur tubuh, tekanan osmotik pada cairan, konsentrasi ion hidrogen, kandungan protein dan gula, konsentrasi ion dan ratio ion-ion aktif yang berhubungan dengan biologis dan sebagainya. Keberadaan mineral sebagai garam yang larut dalam medium sel, cairan interstitial, darah dan lymp, berperan langsung maupun tidak langsung dalam menjaga parameter-parameter biologis dalam keadaan konstan. Unsur mineral merupakan salah satu komponen yang sangat diperlukan oleh makhluk hidup di samping karbohidrat, lemak, protein, dan vitamin, juga dikenal sebagai zat anorganik atau kadar abu. Sebagai contoh, bila bahan biologis dibakar, semua senyawa organik akan rusak; sebagian besar karbon berubah menjadi gas karbon dioksida (CO2), hidrogen menjadi uap air, dan nitrogen menjadi uap nitrogen (N2). Sebagian besar mineral akan tertinggal dalam bentuk

Upload: danghanh

Post on 30-Dec-2016

225 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: MINERAL DAN HOMEOSTASIS

MINERAL DAN HOMEOSTASIS

(Keseimbangan Ionik dan Tekanan Osmosis)

Hernawati

Jurusan Pendidikan Biologi

FPMIPA Universitas Pendidikan Indonesia

Jl. Dr. Setiabudi No.229 Bandung 40154

Telp./Fax. 022-2001937

Email : [email protected]

HOMEOSTASIS

Homeostasis adalah suatu keadaan komposisi kimia dan fisiokimia yang

konstan pada medium internal organisme. Homeostasis merupakan manifestasi

keberadaan sejumlah faktor biologis yang konstan seperti indikasi kuantitatif,

karakteristik suatu organisma pada kondisi normal. Termasuk temperatur tubuh,

tekanan osmotik pada cairan, konsentrasi ion hidrogen, kandungan protein dan

gula, konsentrasi ion dan ratio ion-ion aktif yang berhubungan dengan biologis

dan sebagainya. Keberadaan mineral sebagai garam yang larut dalam medium sel,

cairan interstitial, darah dan lymp, berperan langsung maupun tidak langsung

dalam menjaga parameter-parameter biologis dalam keadaan konstan.

Unsur mineral merupakan salah satu komponen yang sangat diperlukan

oleh makhluk hidup di samping karbohidrat, lemak, protein, dan vitamin, juga

dikenal sebagai zat anorganik atau kadar abu. Sebagai contoh, bila bahan biologis

dibakar, semua senyawa organik akan rusak; sebagian besar karbon berubah

menjadi gas karbon dioksida (CO2), hidrogen menjadi uap air, dan nitrogen

menjadi uap nitrogen (N2). Sebagian besar mineral akan tertinggal dalam bentuk

Page 2: MINERAL DAN HOMEOSTASIS

1

abu dalam bentuk senyawa anorganik sederhana, serta akan terjadi penggabungan

antar individu atau dengan oksigen sehingga terbentuk garam anorganik (Davis

dan Mertz 1987).

Berbagai unsur anorganik (mineral) terdapat dalam bahan biologi, tetapi

tidak atau belum semua mineral tersebut terbukti esensial, sehingga ada mineral

esensial dan nonesensial. Mineral esensial yaitu mineral yang sangat diperlukan

dalam proses fisiologis makhluk hidup untuk membantu kerja enzim atau

pembentukan organ. Unsur-unsur mineral esensial dalam tubuh terdiri atas dua

golongan, yaitu mineral makro dan mineral mikro. Mineral makro diperlukan

untuk membentuk komponen organ di dalam tubuh. Mineral mikro yaitu mineral

yang diperlukan dalam jumlah sangat sedikit dan umumnya terdapat dalam

jaringan dengan konsentrasi sangat kecil. Mineral nonesensial adalah logam yang

perannya dalam tubuh makhluk hidup belum diketahui dan kandungannya dalam

jaringan sangat kecil. Bila kandungannya tinggi dapat merusak organ tubuh

makhluk hidup yang bersangkutan. Di samping mengakibatkan keracunan, logam

juga dapat menyebabkan penyakit defisiensi (McDonald et al. 1988; Spears 1999;

Inoue et al. 2002).

Page 3: MINERAL DAN HOMEOSTASIS

2

Gambar 1. Komposisi major mineral dan trance mineral

Beberapa unsur mineral berperan penting dalam penyusunan struktur

tubuh, baik untuk perkembangan jaringan keras seperti tulang dan gigi maupun

jaringan lunak seperti hati, ginjal, dan otak. Dalam tubuh tulang menyimpan

kalsium dalam jumlah yang paling besar dibandingkan dengan mineral-mineral

lain. Kalsium adalah mineral yang paling banyak di dalam tubuh. Kandungan

mineral dalam tulang dan jumlah total mineral dalam tubuh pada tulang dapat

dilihat pada Gambar 2.

Page 4: MINERAL DAN HOMEOSTASIS

3

Gambar 2. Kandungan mineral dalam tulang dan jumlah total mineral

dalam tubuh pada tulang

Garam mineral ketika berada dalam bentuk cairan sel, baik seluruhnya

maupun sebagian berbentuk ion elektron, yaitu kation dan anion. Kation dibentuk

oleh metal (Na+, K

+, Ca

2+, Mg

2+, dll.), sedangkan anion dibentuk oleh residu asam

(Cl-, HCO

-3, SO

2-4, H2PO

-4). Ion amonium (NH

+4) termasuk kation, sedangkan

asam organik dan protein adalah anion. Pada kondisi normal seluruh cairan di

dalam organisme adalah elektrolit netral, dimana jumlah ion positif (kation)

equivalen dengan jumlah ion negatif (anion). Konsentrasi elektrolit di dalam

tubuh biasanya diekspresikan tidak sebagai masa dari substansi per unit volume

(mg%), tetapi sebagai miliequivalent per liter (mEq/l). Persamaan untuk ion

sederhana yaitu

mEq/l = (mg%) (10) (valency) ; atau untuk ion HCO-3 mEq/l = (vol%) (CO2) (10

berat atom 22.4

Dalam kasus ion kompleks, jumlah milliequivalent dapat dihasilkan dari

hubungan valensi.

Page 5: MINERAL DAN HOMEOSTASIS

4

Air (H20) merupakan komponen utama yang paling banyak terdapat di

dalam tubuh manusia. Sekitar 60% dari total berat badan orang dewasa terdiri dari

air. Namun bergantung kepada kandungan lemak dan otot yang terdapat di dalam

tubuh, nilai persentase ini dapat bervariasi antara 50-70% dari total berat badan

orang dewasa. Cairan tubuh organisme dapat ditemukan di dalam kompartemen

ekstraseluler (plasma dan interstitial) sebesar 1/3% dan intraseluler sebesar 2/3%.

Kondisi cairan tubuh pada setiap kompartemen tersebut berada dalam keadaan

equilibrium dinamik. Rasio kuantitatif dan kualitatif komposisi elektrolit pada

bagian membran selalu dipertahankan dalam keadaan equilibrium. Distribusi

cairan tubuh selanjutnya dapat dilihat pada Gambar 3 dan 4.

Gambar 3. Distribusi cairan tubuh pada kompartemen ekstraseluler dan

intraseluler

Page 6: MINERAL DAN HOMEOSTASIS

5

Gambar 4. Contoh penampakan cairan ekstraseluler dan intraseluler pada jaringan

Plasma darah adalah larutan kristaloid yang komponen utamanya adalah

sodium klorid, dimana berhubungan dengan ion Na+ dan Cl

-. Telah dianalisa kira-

kira 90% sodium dan 95% potasium berada di dalam plasma. Sejumlah kecil

berupa protein dan asam organik. Sebagian besar klorine adalah dalam bentuk ion

kloride dan sejumlah kecil terlihat berada disekitar serum albumin. Meskipun

hubungan tertutup antara ion Na+ dan Cl

- (ion-ion konjugate diasosikan dengan

elektrolit) tidak berhubungan equivalent. Hal tersebut dijelaskan oleh efek

Donnan, bahwa ion-ion protein pada dinding pembuluh mengangkut keluar

Page 7: MINERAL DAN HOMEOSTASIS

6

dengan cara difusi melewati membran kapiler. Determinasi darah dalam tubuh

dapat dilihat pada Gambar 5.

Gambar 5. Determinasi darah dalam tubuh

Komposisi cairan tubuh pada manusia berbeda antara laki-laki dan

perempuan. Pada laki-laki jaringan lebih sedikit mengandung lemak dan lebih

banyak mengandung air, sedangkan pada perempuan sebaliknya. Perbedaan umur

juga menunjukkan perbedaan jumlah cairan dalam tubuh, semakin bertambah

umur maka cairan tubuh akan semakin banyak dan kandungan lemak semakin

sedikit. Hal tersebut dapat dilihat pada Gambar 6.

Page 8: MINERAL DAN HOMEOSTASIS

7

Gambar 6. Perbedaan komposisi cairan tubuh antara laki-laki dan perempuan

Cairan interseluler (interstitial) adalah ionik equilibrium dengan plasma

darah, ultrafiltrat pada plasma yang mengandung sejumlah kecil protein dan

konsentrasi terbesar ion-ion Cl-. Komposisi ion di dalam cairan interseluler dan

intraseluler berbeda. Cairan intraseluler mengandung sejumlah besar kation dan

anion, bervariasi pada setiap jenis jaringan berbeda (dari 17 mEq/kg di dalam

Page 9: MINERAL DAN HOMEOSTASIS

8

jaringan otot sampai 203 mEq/kg pada jaringan otak). Meskipun demikian, tidak

seperti plasma proporsi ion aktif mungkin lebih tinggi 80%, hal tersebut hanya 35-

45% di dalam jaringan. Cairan intraseluler mengandung konsentrasi ion Na+, Cl

-,

dan HCO3- yang rendah. Kandungan yang utama adalah kation K

+ dan Mg

2+,

anion HPO4-2

dan polielektrolite (protein, asam nukleat, phospholipid, dsb). Suatu

alasan dimana eletrolit tidak sama disribusi bentuknya dalam setiap

kompartemen sel karena perbedaan di dalam reaksi antara ion dan koloid

polielektrolit. Reaksi antara ion dan koloid polielektrolit dideterminasi

berdasarkan ukuran dan ion hidrasi. Faktor yang penting pada perbedaan

distribusi ion pada dua sisi membran plasma yaitu kekuatan transpor pada sistem

pompa (“pump-type”) . Misalnya pada pompa Na+

/K+

mempunyai peranan

utama dalam menjaga agar K+

lebih tinggi di dalam sel dan dan Na+ lebih tinggi di

luar sel

Komposisi elektrolit pada cairan tubuh sangat penting untuk

keberlangsungan hidup yang dipresentasikan dalam bentuk ionogram. Pertama

kali dibuat oleh Gemble tahun 1951. Ionogram pada plasma dan cairan

interseluler pada hewan yang sudah dewasa hampir sama pada spesies berbeda

dan tetap tidak berubah pada kondisi kandang dan makanan yang bervariasi.

Perbedaan antara kelompok umur lebih jelas, terutama pada hewan ruminansia.

Hal tersebut adanya perubahan dalam jenis makanan dan konsekuensinya pada

perubaan di dalam komposisi ion pada makanan (pengurangan dalam equivalent

fraksi sodium, kalsium, khloride dan phosphat, serta peningkatan dalam fraksi ion

Page 10: MINERAL DAN HOMEOSTASIS

9

potasium, magnesium dan asam organik). Komposisi ion-ion dalam cairan tubuh

dapat dilihat pada Gambar 7.

Gambar 7. Komposisi ion-ion dalam cairan tubuh

Page 11: MINERAL DAN HOMEOSTASIS

10

Konsentrasi total ion di dalam darah pada hewan ruminansia yang baru

lahir adalah sama dengan hewan dewasa, tetapi proporsi ion secara individu

berbeda. Di dalam urine terdapat perbedaan secara kualitatif dan kuantitatif. Pada

umur kira-kira 6 bulan, ketika fungsi sistem pencernaan menjadi lebih stabil, dan

organ-organ ekskesi menjadi berfungsi lebih matang, ionogram dalam dan urine

menjadi sama dengan hewan yang dewasa. Ionogram saliva dan susu pada sapi

dewasa diperlihatkan pada Tabel 1.

Tabel 1. Ionogram parotid saliva dan susu pada sapi

Parotid Saliva (mEq/l) Milk (mEq/l)

Cations Anions Cations Anions

Na+

178 HCO-3 104 Na

+ 23.3 HCO

-3 3.4

K+

8 HPO2-

4 47 K+

38.3 Cl-

28.2

Ca2+

1 Cl-

17 Ca2+

63.6 HPO2-

4 63.8

Mg2+

1 Other

ions

20 Mg2+

14.8 SO2-

4 2.8

Organic

acids

31.2

Proteins 10.6

Total 188 188 Total 140 140

TEKANAN OSMOTIK

Ion di dalam cairan tubuh, secara bersama-sama dengan komponen lain,

menghasilkan level tekanan osmotik, menjaga equilibrium membran sel,

mempengaruhi kondisi koloid jaringan, membantu dalam regulasi equilibrium

asam-basa. Di samping itu ion secara individual mempunyai fungsi spesifik di

dalam tubuh. Salan satu peranan ion di dalam cairan tubuh yaitu menghasilkan

Page 12: MINERAL DAN HOMEOSTASIS

11

tekanan osmotik. Osmosis merukan besarnya difusi cairan dari tempat yang

konsentrasi airnya tinggi ke tempat yang kosentrasi airnya lebih rendah. Besarnya

tekanan untuk mencegah terjadinya osmosis disebut dengan tekanan osmotik.

Skematik tekanan osmotik dapat dilihat pada Gambar 8.

Gambar 8. Skematik terjadinua tekanan osmotik

Larutan garam menghasilkan tekanan osmotik dalam cairan tubuh. Hal

tersebut adalah penting untuk memisahkan ion-ion dalam larutan garam-garam

inonik. Peningkatan tekanan osmotik dapat terjadi lebih tinggi pada larutan yang

mengandung garam-garam inonik dibandingkan dengan larutan nanoelektrolit

(urea dan glukosa) di dalam kosentrasi persamaan molar. Hal tersebut fakta bahwa

tekanan osmotik dideterminasi oleh seluruh jumlah molekul-molekul yang tidak

memisah, partikel koloid dan ion-ion.

Page 13: MINERAL DAN HOMEOSTASIS

12

Tekanan osmotik dalam organisma adalah faktor fisiologi yang penting

dimana membantu pemindahan air dan substansi terlarut di dalam jaringan. Jika

komposisi di dalam cairan tubuh diekspresikan di dalam bentuk konsentrasi

osmotik dalam suatu equivalent kimia, didapatkan nilai yang sama, kecuali untuk

ion polyvalent yang mempunyai pengaruh osmotik yang rendah (Tabel 2)

Tabel 2. Substansi aktif osmolalitas di dalam cairan tubuh

Komponen Plasma

(mmol/l H2O)

Cairan Interseluler

(mmol/l H2O)

Cairan Intraseluler

(mmol/l H2O)

Na+

144 137 10

K+

5 4.7 141

Ca2+

2.5 2.4 0

Mg2+

1.5 1.4 31

Cl- 107 112.7 4

HCO-3 27 28.3 10

HPO-4, HPO

2-4 2 2 11

SO2-

4 0.5 0.5 1

Glukosa 5.6 5.6 -

Protein 1.2 0.2 4

Urea 4 4 4

Subs. Organik lain 3.4 4.4 86.2

Total 303.7 302.2 302.2

Keseluruhan

tekanan osmotik

pada 370C, mmHg

5455 5430 5430

Dapat dilihat pada Tabel 2. bahwa seluruh level tekanan osmotik di dalam

cairan ekstraseluler dijaga keseimbangannya oleh adanya ion-ion sodium, klorin,

dan bicarbonat dalam jumlah yang besar. Pada cairan intraseluler terjaga

keseimbangannya terutama oleh adanya ion-ion potasium, magnesium dan

substansi organik dalam jumlah yang besar. Osmotik yang sebenarnya

mempengaruhi cairan tubuh kira-kira 93% secara teori nilai dihitung dari

Page 14: MINERAL DAN HOMEOSTASIS

13

komposisi kimia, kekuatan tarikan intermolekular dan interionik. Aktivitas

osmotik tubuh dalam seluruh cairan tubuh di perkirakan sama, kecuali untuk

perbedaan yang kecil antara plasma dan cairan interseluler. Perbedaan terutama

pada tekanan oncotic (swelling) protein plasma, kira-kira hanya 1/200th dari

tekanan osmotik total, yaitu mempunyai fungsi untuk menjaga volume darah dan

tekanan darah konstan.

Tekanan osmotik pada darah merupakan ekspresi tekanan atmosfer ,

adalah 7-8 atm. Dalam bentuk equivalen konsetrasi NaCl, darah mamalia

mempunyai tekanan osmotik 0,90 %, pada burung 0,93-0,95% dan pada hewan

berdarah dingin (cold-blooded) 0,70%. Tekanan osmotik mempunyai perubahan

yang jelas pada saat terjadi tahanan (retensi) cairan di dalam tubuh, atau

pengeluaran (eliminasi) dari dalam tubuh. Pengambilan sejumlah air diteruskan

dengan pengeluaran substansi aktif osmotik (terutama NaCl) terjadi melalui

ginjal dan kelenjar keringat. Tekanan osmotik pada urin hewan tidak konstan,

tetapi berfluktuasi dengan batas yang sedang, bergantung pada konsentrasi sodium

klorid. Indikasi kelebihan garam dikeluarkan melalui urin. Tekanan osmotik

pada keringat juga bervariasi, tetapi selalu lebih rendah dibandingkan dengan

darah. Tekanan osmotik sering terjadi lebih tinggi pada aliran darah.

Jika makanan mengandung sejumlah kelebihan garam, kandungan NaCl di

dalam plasma meningkat, dan juga tekanan osmotik meningkat. Plasma menjadi

hipertonik, sebagai akibat air melewati dari cairan interstitial ke dalam darah.

Ketika itu garam berpindah di bagian intraseluler ke bagian ekstraseluler.

Akibatnya konsentrasi ion meningkat di dalam area ekstraseluler. Konsentrasi

Page 15: MINERAL DAN HOMEOSTASIS

14

kristaloid dan tekanan osmotik di seluruh cairan tubuh pada fase hipertonik

meningkat, seiring volume cairan intraseluler menurun. Kondisi ginjal menjadi

kompleks yaitu dengan resorpsi ion Na+ rendah, pengeluaran melalui urine

meningkat. Pada saat yang sama kandungan urea dan klorid di dalam urin

meningkat.

Jika garam defisien di dalam makanan, plasma darah menjadi hipotonik.

Air mulai melewati dari plasma ke dalam ruang interstitial, ketika garam melewati

pada arah yang berlawanan. Akibatnya cairan intraseluler menjadi lebih kental; air

menembus di dalam sel tanpa garam lewat keluar dari bagian tersebut. Tekanan

osmotik di dalam seluruh cairan tubuh menjadi menurun, volume cairan

intraseluler meningkat (sel mengalami turgor), ketika volume cairan ekstraseluler

menurun. Ion Na+ dan Cl

- sepenuhnya diserap di dalam ginjal. Defisiensi sodium

akan mengganggu fungsi ginjal; filtrasi glomerulus menurun secara tajam, dengan

konsekuensi retensi urea di dalam darah. Dalam waktu yang lama defisiensi

garam, mekanisme pengaturan tidak menjaga homeostasis lebih lama, dan hewan

akan mati. Skematik keadaan hypnatremia dan hiponatremia dapat dilihat pada

Gambar 9.

Page 16: MINERAL DAN HOMEOSTASIS

15

Gambar 9. Skematik keadaan hyponatremia dan hypernatremia antara

kompartemen cairan ekstraseluler dan intraseluler

Page 17: MINERAL DAN HOMEOSTASIS

16

DAFTAR PUSTAKA

Davis, G.K. and W. Mertz. 1987. Copper. p. 301− 364. In W. Mertz (Ed.) Trace

Elements in Human and Animal Nutrition. Academic Press, Inc. San Diego,

CA.

Georgievskii VI. 1982. General Information on Minerals. In : Georgievskii VI,

Annekov BN, Samokhin VT. Mineral Nutrition of Animal. London :

Butterworth.

Inoue, Y., T. Osawa, A. Matsui, Y. Asai, Y. Murakami, T. Matsui, and H. Yano.

2002. Changes of serum mineral concentration in horses during exercise.

Asian Aust. J. Anim. Sci. 15(4): 531−536.

McDonald, P., R.A. Edwards, and J.F.D. Greenhalgh. 1988. Animal Nutrition.

John Willey and Sons Inc., New York. p. 96−105.

Spears, J.W. 1999. Reevalution of the metabolic essensiality of minerals. Asian

Aust. J. Anim. Sci. 12(6): 1.002−1.008.

Tortora GJ and Derirckson. 2009. Principles of Anatomy and Physiology. John

Wiley & Sons, Inc.